生化工程原理复习题及答案

生化工程原理复习题及答案

一、名词解释口

1、生化工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开辟，成为可

供工业生产的工艺过程，常称为生化工程。「

2、灭菌：是指用物理或者化学方法杀灭物料或者设备中的一切生命

物质

白剑程。［

3、惯性冲撞机制：气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性，当

微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过

纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向纤维表面，

并滞留在纤维表面。n

4、细胞得率口

：是对碳的细胞得率。=生成细胞量某细胞含碳量或者口

二消耗基质量某基质「

^50:。n

5、生物反应动力学：是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、

产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因了对这些关

系的影响。口

生物反应工程：是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程

优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科。口

6、返混：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。！1

7、细非结构模型：【

8、非结构模型：如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成

的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。n

结构模型：在考虑细胞组成变化基础上建立的微生物生长或者相关的动

力学触n

9、限制性底物：是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，

只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C

源、N源、无机或者有机因子。「

10、绝对过滤介质：绝对过滤介质的孔隙小于细菌和狗子，当空气通

过时微生物被阻留在介质的一侧。n

深层过滤介质：深层过滤介质的截面孔隙大于微生物，为了达到所需

的除菌效果，介质必须有一定的厚度，因此称为深层过滤介质。(1

11、均衡生长：在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成份均以相同

的比例增加，则称为均衡生长。口

非均衡生长:细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生

长。口

二、问答口

1、试述培养基灭菌通常具有哪些措施？灭菌动力学的重要结论有哪

些？答：培养基灭菌措施有：口

(1)使用的培养基和设备需经灭菌。口

(2)好氧培养过程中使用的空气应经除菌处理。口

(3)设备应严密，生物反应器中要维持高于环境压力。(4)培养过

程中加入的物料应经过灭菌。(5)使用无污染的纯粹种子。灭菌动力学

的重要结论：

(1)细菌抱子热死灭反应的很高，而大部份营养物质热破坏反

应的AE很低，于是将T提高到一定程度会加速细菌胞子的热死灭速率，

从而缩短在升高温度下的灭菌时间(ln(N/NO)二-Kt)；1

(2)由于营养成份热破坏的很低，上述的温度提高只能稍微增

大其热破坏程度，但由于灭菌时间的显著缩短，结果是营养成份的破坏量

在允许的范围内。［］

(3)高温短时灭菌方法是灭菌动力学得出的重要结论，它既能快速

灭菌，又能有效地保存培养基中的营养成份。］

2、为什么要进行培养基灭菌？若培养基不灭菌，会产生什么不良后

果？n

答：这是由于生物反应系统中通常含有比较丰实的营养物质，容易受

到杂菌污染，由于杂菌的存在，会有以下各种不良后果：n

(1)由于杂菌污染，使生物反应的基质或者产物，因杂菌的消耗而

损

失，造成生产能力的下降。『

(2)由于杂菌所产生的一些代谢产物或者在染菌后改变了发酵液的

某

些理化性质，使产物的提取艰难，造成收得率降低或者使产品质量下降。

(3)污染的杂菌大量繁殖，会改变反应体系的pH,从而使生物反应

发生异常变化。(4)发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失

败。口

3、控制溶氧的工艺手段有哪些？答：①改变通气速率；口

②改变搅拌速度；（不适合动植物培养体系）n

③改变气体组成中氧分压；（适合动植物培养体系，可用于短期溶

解氧）④改变罐压；n

⑤改变发酵液理化性质；⑥加入传氧中间介质。u

4、试述深层过滤介质除菌的机理。口

答：（1）纤维介质对颗粒的拦截：在气流速度在临界速度以下，由于

速度很低时，在纤维周口

边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗

粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于磨擦、粘着作用而被滞留。r

（2）颗粒的惯性碰撞：当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，在

接近纤维时，气流碰到口

纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗

粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由

于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于磨擦、粘附作用，被滞留在

纤维表面上。［

（3）布朗扩散：弱小颗粒在气流速度很慢时在气体中呈布朗扩散状态。

但纤维间隙很小，微粒与纤维接触的机会较大，纤维对颗粒有一定程度的

截留。1

5、试述微生物反应过程的主要特征。答：（1）微生物是该反应过程

的主体；n

（2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系；（3）微生物反应

是非常复杂的反应过程。r

复杂性主要表现在以下方面：口

②微生物反应有多种代谢途径，不同的条件会得到不同的产物。「

③微生物反应过程中，细胞的形态、组成、活性都处在一动态变化过

程。上述这些因素，造成为了描述、控制和开辟微生物反应过程的复杂性

。n

6、试述对数穿透定律的假设条件。答：对数穿透定律的四点假设：口

（1）过滤器中过滤介质中，每一根纤维周围的空气流态并不因其它

临近纤维的存在而受影响。r

（2）空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，再也不被空气带走

O

（3）过滤器中的过滤效率与空气中的微粒的浓度无关,u

（4）空气中微粒在滤层中的减递均匀，即每一纤维薄层除去同样百

分率的菌体。1

7、试述发酵过程中不断地通过通风和搅拌，气态中的氧经过哪些传

递步骤到液相。答：（1）从气相主体扩散到气象界面；（2）穿过气液界

面；「

（3）从气液界面扩散通过液膜到液相主体中。口

扩展：（1

氧气的传递过程可以分为供氧和耗氧两个方面，供氧是指空气中的氧

气从空气泡通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中；耗氧是指份子

氧自液相主体通过液膜、液固界面、细胞壁和膜扩散到细胞内。口

氧从空气泡传递到细胞内涉及如下过程：（1）从气相主体扩散到气

象界面；（2）穿过气液界面；「

（3）从气液界面扩散通过液膜到液相主体中；（4）通过液相主体到

细胞或者细胞团外的液膜；（5）通过细胞或者细胞团外的液膜；「

（6）穿过液相主体与细胞团之间的液固界面；（7）扩散进入细胞团

内；「

（8）穿过细胞壁和细胞膜到达反应位点。8、试述双膜理论的要事有

哪些。n

答：（1）在气液两个流体相间存在界面，在界面两侧各有一层稳定

的薄膜，即气膜与液膜，液膜内的液体份子温和膜内的气体份子都处于层

流状态，份子间无对流运动，氧的份子只能以扩散方式穿过双膜进入液相

主体。D

（2）两相界面上氧的分压强与溶于界面液膜中的氧的浓度之间达到

气液平衡状态，因此在界面上没有物质传递的阻力。［

（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而

变。0

9、试述微生物反应过程的计量学原理。答：①1

是对基质的细胞得率，指生成细胞的质量与消耗基质质量之比。口

二消耗基质量某基质含碳量。「

②是对碳的细胞得率。二生成细胞量某细胞含碳量或者⑨

是对ATP生成的细胞得率。即每消耗Imol碳源所生成的ATP的摩尔

数。「

10、生物反应器比拟放大要解决哪些问题？口

答：用小型生物反应设备进行科学实验，并获得某种产品的优化结果,

如何把这种优化的结果在大型的工业生产设备中赋予重现，即大型设备的

几何尺寸、功率、空气流量、搅拌转数都是怎样的才干再现小型设备里的

优化结果，这就是生物反应器比拟放大要解决的问题。口

11、试述基质消耗动力学、产物的生产动力学及它们之间的相互关系。

答：（一）基质消耗动力学：基质消耗速率的物料平衡式可表示为：口

n

十M某弋

——细胞的生长得率系数，g/mol——产物得率系数，mol/moln

m---细胞的维持系数，mol/（g.）□

（二）产物的生成动力学：根据产物生成速率与细胞生长速率之间的

关系，将产物生成动力学模型分成三种类型。［

类型I为相关模型，反映产物生成与细胞生长相关的过程，其动力

学方程可表示为］

=口薪

二口「

式中：n

----单位质量细胞生成的产量，g/g或者mol/gu

类型II为部份相关模型，反映产物生成与细胞生长仅有间接关系的过

程。其动力学方程式表示为［

二a+B某「

与细胞生长有关，P某仅与细胞浓度有关。口

式中，a、0为常数：an

二aU+B口

=P某/

它们之间的相互关系：在分批培养时，培养液中基质的减少是由于细

胞和产物的生成，如果限制性基质是碳源，消耗掉的碳源中一部份形成细

胞物质，一部份形成产物，与部份供细胞维持生命活动之用。「

12、影响固定化酶反应动力学的因素有哪些？答：（1）构象效应。

醯固定化过程中，酶和载体的相互作用引起酶的活性中心或者调节中心的

构

象发生变化，导致酶的活力下降。口

（2）分配效应。由于载体内外物质分配不等，影响酶促反应速